Les feux en extérieur on fait l'objet d'études de la part du CEA (Commissariat à l'Energie Atomique) pour ce qui concerne les incendies d'origine accidentelle de matières sensibles. A cet égard, des expériences ont été menées sur des produits tels que le kérosène mais la description phénoménologique d'un feu est soumise aux incomplétudes de nos connaissances en la matière. A titre d'exemple, la genèse de la formation de particules de suie est un phénomène non élucidé à l'heure actuelle, aussi bien au niveau chimique que physique [DUC02] (sa description se base généralement sur des constats d'expériences avec peu de plus-value théorique). L'approche expérimentale est cependant inappropriée dans de nombreux cas, notamment pour des questions de coût.
En plus de la difficulté à représenter les suies, les simulations sont limitées par les modèles de représentation de la turbulence. Il existe des modèles élaborées, mais ce n'est qu'à partir de l'observation expérimentale qu'il est possible de lui donner un niveau de complexité acceptable. En revanche, pour le transfert radiatif, des formules issues de la physique théorique sont utilisées. Pour la simulation des écoulements turbulents, la résolution complète des équations d'écoulements de fluides est inenvisageable (équations aux dérivées partielles de Navier-Stockes) de part leur complexité. Une approche alternative consiste à utiliser des moyennes et une décomposition du mouvement dite de Reynolds. Malgré ces simplifications, le nombre de calculs demandé reste énorme et même avec une très bonne architecture matérielle, il n'est pas envisageable d'obtenir une représentation crédible en temps réel. Une simulation numérique peut aussi se résoudre à différentes échelles (Fig. 16 : Exemple de simulation 2D avec maillage adaptatif) pour réduire d'autant le temps machine nécessaire. Cependant, il faut quoi qu'il en soit plusieurs heures de calcul pour quelques minutes de simulation.
Lorsque les besoins de précisions sont moindres, il est possible, à l'aide de formules héritées de la thermophysique, d'estimer les paramètres les plus essentiels des phénomènes liés à un incendie. Par exemple, calculer la masse perdue et l'énergie dégagée d'un bac circulaire contenant un produit particulier (sans autre paramètre connu) permet d'obtenir la hauteur de la flamme et d'estimer de plus la quantité d'eau nécessaire à l'extinction [DIN02].
Fig. 16 : Exemple de simulation 2D avec maillage adaptatif
6.2] Les feux entre bâtiments :
De par leur plus grande complexité, les simulations d'incendies en milieu urbain ont connu un développement plus tardif. En effet, l'hétérogénéité des lieux, des matériaux mais aussi et surtout les déplacements d'air forment un ensemble d'éléments qu'il est délicat de modéliser. Les premières ébauches ont tenté de représenter les incendies de grande ampleur au Japon à la suite de catastrophes naturelles comme les tremblements de terre [HIM00] (dans certaines villes du Japon, la majorité des bâtiments ont une structure en bois). Outre les calculs de combustion d'un bâtiment et de l'environnement thermique associé, il convient d'étudier séparément la propagation entre les bâtiments. Pour cela, il est nécessaire d'intégrer les pertes d'énergie dans les murs, les ouvertures (fenêtres) et le vent extérieur. Le calcul du flux radiatif sur le bâtiment cible (Fig. 17 : Calcul du flux radiatif sur le bâtiment cible) prend en compte ces paramètres, mais en l'état actuel, ce modèle n'offre pas de résultat exploitable pour la prévision de la propagation du feu.
Dans le cas de groupes de bâtiments, un autre élément essentiel est à prendre en considération, la diffusion des fumées. Il existe une relation directe entre la géométrie du ou des bâtiments et la progression du feu, notamment en ce qui concerne la propagation des fumées par les balcons (Fig. 18 : Contribution d'un balcon à la dispersion des fumées) [HAR04]. Des simulations, obtenues par codes à champs montrent des résultats similaires sur les niveaux de températures des étages supérieurs à la source de l'incendie. Il est aussi notable que la forme du balcon (incrusté, à ouverture, etc.) ainsi que le matériau de construction ont
une très grande influence sur l'évacuation des fumées et la progression de l'incendie [MAM04]. Afin de valider l'approche par code à champs, des expérimentations ont été menées dans le cadre de la propagation d'incendie d'un bâtiment à un autre. A titre d'exemple, des essais ont été faits sur la résistance de murs coupe feu entre deux éléments se trouvant à seulement 1,8 mètre l'un de l'autre [MAR04]. Ce qui permet de calibrer le modèle FDS (Fire Dynamic System) et de plus de prouver la résistance des matériaux.
Fig. 17 : Calcul du flux radiatif sur le bâtiment cible
Enfin, une approche entièrement basées sur des automates cellulaires à été mise au point récemment [OHG07]. Ce modèle, en deux dimensions, a été conçu pour prévoir l'évolution d'incendies de grande ampleur en milieu urbain au Japon. Pour la conception, il a été fait le choix d'un découpage d'un carré de 400 m par 400 dans l'est de la ville de Toyohashi (essentiellement composée de maisons en bois). Les cellules ont une taille de 3 m sur 3 (3 mètres est la moitié de la distance de propagation possible du feu lorsqu'il n'y a pas de vent) et peuvent prendre les cinq états suivants :
- 0 : Ininflammable.
- 1 : Ne brûlant pas, inflammable.
- 2 : Etat d'allumage, ne pouvant pas répandre le feu. - 3 : Brûlant, pouvant propager le feu.
- 4 : Eteint, ou prêt à s'éteindre, ne pouvant pas répandre le feu.
Pour parfaire à la simulation, les cellules peuvent représenter une partie de bâtiment (en bois, traité contre le feu, coupe feu) ou un espace vide. Le mode de développement du feu se fait par pas de temps successifs suivant une règle de probabilité de propagation en fonction du vent (Fig. 19 : Probabilité Wij de propagation du feu d'une cellule à l'autre par vent
d'ouest). La simulation peut être faite sur une période allant jusqu'à trois heures. Plusieurs essais sont réalisés avec les mêmes conditions initiales (50 fois est le compromis retenu entre la précision et les temps de calcul). Le résultat est retourné sous la forme d'une carte décrivant la probabilité d'extension de l'incendie (Fig. 20 : Exemple de probabilité de progression du feu en trois heures, sans vent). Enfin, les critères de propagation ont été affinés par comparaison à d'authentiques feux.
Si les résultats se révèlent fiables à 80%, les temps d'attentes (10 minutes avec un processeur à 1,4 GHz) ne le rendent pas directement exploitable pour les forces d'intervention. Néanmoins, ce modèle peut s'avérer efficace pour des simulations d'incendies urbains en y ajoutant des raffinements.
Fig. 19 : Probabilité Wij de propagation du feu d'une cellule à l'autre par vent d'ouest